Эубактерии осуществляющие спиртовое брожение

Процесс, в результате которого из 1 молекулы гексозы образуются 2 молекулы этилового спирта и 2 молекулы углекислоты, получил название спиртового брожения. Спиртовое брожение рас­пространено среди прокариотных (различные облигатно и факуль­тативно анаэробные эубактерии) и эукариотных (дрожжи) форм. В анаэробных условиях у высших растений также отмечено накоп­ление этилового спирта.

Способность осуществлять в анаэробных условиях спиртовое брожение присуща некоторым эубактериям, принадлежащим к разным таксономи­ческим группам, например Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora.

S. ventriculi относится к группе грамположительных анаэроб­ных кокков. Клетки неподвижные; делятся в трех плоскостях, по­этому в культуре часто образуют пакеты, состоящие из 8 и более клеток. Веществом, связывающим клетки в пакетах, служит цел­люлоза. Описана способность образовывать эндоспоры. Аэротоле­рантный анаэроб. Единственный способ получения энергии — сбраживание сахаров. Потребность в питательных веществах до­вольно высока (многочисленные аминокислоты и ряд витаминов).

E. amylovora относится к группе энтеробактерий. Это грамотрицательные подвижные палочки. Особенностью вида является его патогенность для растений. Факультативный анаэроб. В аэробных условиях получает энергию в процессе дыхания.

Помимо этилового спирта и СО₂ в качестве продуктов броже­ния S. ventriculi в среде накапливается уксусная кислота и выделя­ется молекулярный водород, у E. amylovora накапливается молоч­ная кислота.

У многих клостридиев и энтеробактерий среди продуктов бро­жения обнаруживают этиловый спирт. Для данных бактерий сбраживание саха­ров до пировиноградной кислоты происходит по гликолитиче­скому пути, дальнейшее же превращение пирувата идет не через пируватдекарбоксилазу. У названных групп бактерий пируват под­вергается расщеплению, приводящему к образованию ацетил-КоА. Реакция катализируется пируватдегидрогеназой. Ацетил-КоА за­тем восстанавливается до ацетальдегида, а последний до этанола.

Как упоминалось выше гетероферментативные молочнокислые бактерии также накапливают в среде спирт, метаболизируя глюкозу по окислительному пентозофосфатному пути. В результате ряда ферментативных превраще­ний образуется ацетилфосфат, восстановление которого в два этапа приводит к появлению молекулы этилового спирта.

В Мексике для получения на­ционального спиртного напитка «пульке», используется бактерия Zymomonas mobilis. В даннолм случае разложение глюкозы до пировиноградной кислоты идет по пути Энтнера—Дудорова. Дальнейшее превращение пирувата происходит с участием пируватдекарбоксилазы и алкогольдегидрогеназы. Выход продуктов брожения такой же, как при спиртовом брожении по гликолити­ческому пути: по 2 молекулы спирта и СО₂ на 1 молекулу сброженной глюкозы, но энергетический выход в два раза ниже, чем при гликолизе: всего 1 молекула АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы.

Z. mobilis — грамотрицательные подвижные бактерии, имею­щие форму коротких палочек. Характеризуются высокими био­синтетическими способностями. Анаэробы, единственный способ получения энергии для которых — спиртовое брожение.

Пропионовокислое брожение

Из рассмотренных двух типов брожения видно, что ключевым соединением в обоих процессах является пируват, поскольку в конечном итоге специфика брожения определяется дальнейшей судьбой пирувата. Основная задача последующих реакций — регенерирование молекулы НАД⁺ и возвращение ее в клеточный ме­таболизм. Прямое восстановление пирувата с помощью НАД • Н₂ до молочной кислоты реализуется в молочнокислом брожении. Другая возможность регенерирования НАД⁺ — «сбрасывание» во­дорода с НАД • Н₂ на фрагменты, образуемые при метаболизме пирувата, — имеет место в спиртовом брожении, осуществляе­мом дрожжами и некоторыми видами бактерий. Третья возмож­ность связана с синтетическим процессом — усложнением моле­кулы пирувата, в результате которого создается более окисленная молекула акцептора, способная принять больше электронов с вос­становленных переносчиков. Это происходит при присоединении к молекуле пирувата СО₂, приводящем к формированию четырехуглеродного скелета. Процесс получил название гетеротроф­ной ассимиляции углекислоты.

В пропионовокислом брожении мы имеем дело с реализацией третьей возможности превращения пирувата — его карбоксилированием, приводящим к возникновению нового акцептора во­дорода — ЩУК, которая в процессе ферментативных реакций превращается в пропионовую.

Многие пропионовые бактерии сбраживают глюкозу так, что на каждую молекулу пирувата, окисленную до уксусной кислоты и СО₂, приходятся 2 молекулы пирувата, восстановленные до пропионовой кислоты.

В процессе пропионовокислогого брожения, кроме основных продуктов, в разных количествах в культуральной жидкости пропионовых бактерий обнаружены молочная, му­равьиная, изовалериановая кислоты, этиловый и пропиловый спирты, уксусный и пропионовый альдегиды, ацетоин, диацетил. Состав конечных продуктов брожения зависит от культуры бакте­рий, состава среды и условий культивирования. Это касается как видов накапливаемых продуктов, так и количественных соотно­шений между ними.

Теоретически пропионовое брожение должно приводить к образованию 4 молекул АТФ при сбраживании 1,5 молекулы глю­козы. Однако выход энергии несколько выше.

Бактерии, осуществляющие пропионокислое брожение включены в группу, объединяемую в род Propionibacterium. Этограмположительные, неподвижные, не образующие спор палочковидные бактерии, размножающиеся бинарным делением. В зависимо­сти от условий культивирования и цикла развития форма клетки может меняться до кокковидной, изогнутой или булавовидной..

Большинство пропионовокислых бактерий — аэротолерант­ные анаэробы, получающие энергию в процессе брожения, ос­новным продуктом которого является пропионовая кислота. Аэротолерантность их обусловлена наличием полностью сфор­мированной ферментной системы защиты от токсических форм кислорода (супероксидный анион, перекись водорода). У про­пионовокислых бактерий обнаружены супероксиддисмутазная, каталазная и пероксидазная активности. Внутри группы отно­шение к О₂ различно. Некоторые виды могут расти в аэробных условиях.

Брожение не исчерпывает всех возможностей получения энер­гии этой группой эубактерии. Хотя гликолитическое расщепление глюкозы с образованием в качестве обязательного промежуточ­ного соединения пировиноградной кислоты является основным путем разложения глюкозы, кроме этого пути в группе пропио­новых бактерий обнаружен окислительный пентозофосфатный путь, реакции ЦТК, активное «флавиновое дыхание» и окисли­тельное фосфорилирование, сопряженное с электронтранспортной системой.

У про­пионовых бактерий достаточно четко просматриваются две тен­денции: с одной стороны, усовершенствование основного ана­эробного способа получения энергии, с другой — попытки приспособления и, более того, рационального использования мо­лекулярного кислорода.

Конструктивный метаболизм пропионовых бактерий претер­пел дальнейшую эволюцию в сторону большей независимости от органических соединений внешней среды. Пропионовые бактерии характеризуются хорошо развитыми биосинтетическими способ­ностями и могут расти на простой синтетической среде с аммо­нийным азотом в качестве единственного источника азота при добавлении к среде пантотеновой кислоты и биотина, а для неко­торых видов и тиамина. У ряда пропионовых бактерий обнаружена способность к азотфиксации.

Местообитание пропионовых бактерий — кишечный тракт жвачных животных, молоко, твердые сыры, в приготовлении ко­торых они принимают участие. После молочнокислого брожения, когда лактоза превращена в молочную кислоту, начинают раз­множаться пропионовые бактерии, сбраживающие молочную кис­лоту с образованием уксусной и пропионовой кислот. Эти кисло­ты придают сырам специфический острый вкус. Пропионовые бактерии используют в микробиологической промышленности в качестве продуцентов витамина В₁₂.